37I novembre-décembre 2016 I Soudage et techniqueS connexeS

études et recherche

Olivier CHEMINAT1, Laurent JUBIN2

(CETIM)

Fabrice SCANDELLA3

(INSTITUT DE SOUDURE)

1. IntroductIon :QuelQues prIncIpesde base

La robotisation, l’automatisation et la mécanisa-tion du soudage sont très largement utilisées dans l’industrie de la mécanique. Les objectifs recherchés lors de leur implantation peuvent être la diminution des temps de soudage, l’augmentation du facteur de marche mais aussi l’amélioration de la qualité. Le soudage « mécanisé » est souvent jugé comme supérieur au soudage manuel compte tenu qu’il s’af-franchit du facteur humain. Or sous peine de déboire en service, il convient de ne pas oublier quelques principes de base :• une machine automatique ou une installationrobotisée répètent aveuglement, des trajectoires

Vers la maîtrise de la qualitéen soudage robotisé

1. CETIM - Ingénierie des Assemblages – 74, route de la Jonelière, CS 50814, 44308 Nantes Cedex 3 – Tél. : 02 40 37 36 57 – e-mail : olivier.cheminat@cetim.fr2. CETIM - Pôle Assemblages – 74, route de la Jonelière, CS 50814, 44308 Nantes Cedex 3 –Tél. : 02 40 37 35 29 – e-mail : laurent.jubin@cetim.fr3. Institut de Soudure Groupe – Plate-forme Assemblage – 4, boulevard Henri Becquerel, 57970 Yutz (France) Tél. : +33 (0)3 82 59 13 80 – e-mail : f.scandella@isgroupe.com

prédéfinies et des réglages fixes – sauf à disposer d'un dispositif de recalage ou de suivi de joint ;• la réussite des soudures repose sur la capacitéde l’ensemble (installation, outillage, pièces à sou-der), à reproduire un positionnement relatif entre la torche et les pièces, compatible avec les exigences du procédé de soudage (voir figure 1) ;• le soudage est un procédé spécial (au sens del’assurance qualité – voir la norme EN ISO 9000) dont toutes les caractéristiques ne peuvent pas être vérifiées a posteriori. Cela signifie qu’il faut valider le procédé au préalable, de manière destructive, et reproduire infailliblement les conditions de la réus-site.De ce fait, le responsable des méthodes soudage au sein de l’entreprise doit rechercher la compatibilité entre les exigences du procédé du soudage et son

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38 Soudage et techniqueS connexeS I novembre-décembre 2016 I

études et recherche

environnement au poste de travail. Il doit évaluer la robustesse de son système, c’est-à-dire la capacité de la cellule robotisée ou du poste mécanisé à repro-duire un résultat acceptable malgré des variations dans les données d’entrées.Cette démarche de maîtrise de la qualité sera atteinte en deux étapes principales (voir figure 2):Une première étape qui a pour objectif d’établir le niveau de qualité attendu par le biais d’une « qua-lification » ou d’une validation du mode opératoire de soudage, en recherchant à établir la « fenêtre procédé ». L’industrialisation s’effectuera en tenant compte de cette fenêtre.La seconde étape, qui durera le temps complet de la production, consistera à maintenir la qualité en veil-lant à limiter au maximum les variabilités :• fiabiliser les processus en amont ;• fiabiliser l’opération de soudage elle-même.

cation n’a pas pour but de s’assurer de la compa-cité d’un joint soudé ou de la qualité géométrique. L’objectif de ce type de qualification est uniquement de garantir l’ensemble des propriétés mécaniques statiques (au travers d'essais de traction, de pliage) ou de résistance à la rupture fragile (par des essais de flexion par choc). Un mode opératoire de soudage « qualifié » appliqué sans discernement à une autre configuration, même à l’intérieur du domaine de vali-dité, présente un risque important de conduire à des défauts rédhibitoires. En effet, une installation robo-tisée ou mécanisée n’a pas la capacité de s’adapter, comme un soudeur, à une modification de la confi-guration de l’assemblage. Par exemple une simple différence de hauteur de talon ou une augmentation du jeu entre les pièces peut conduire à des défauts inacceptables.Le soudage automatisé/robotisé va donc nécessiter une validation plus complexe du mode opératoire pour s’assurer de la « robustesse du procédé », c’est-à-dire sa capacité à reproduire un résultat conforme malgré une variation des données d’entrée. En sou-dage, les variations possibles des données d’entrée sont multiples. Dans le cas présent, seule la varia-tion de la position relative entre la torche et la pièce à souder va être considérée pour illustrer ce propos.

2.2 POUrqUOI LA qUALITé DéPEND-ELLEDE LA POSITION rELATIvE ENTrELES PIèCES à SOUDEr ET LA TOrCHE ?

Cette variation de la position relative est un point essentiel de la maîtrise de la qualité dans une pro-duction robotisée de produits mécano-soudés pour trois raisons :• ce décalage est l’addition de nombreux facteurs :répétabilité du robot, répétabilité des périphériques, précision de l’outillage, tolérances de réalisation des pièces unitaires, dimensionnel de la torche de soudage, qualité de dévidage du fil-électrode, etc. (voir figure 3) ;• l’amélioration du positionnement est coûteuse.En particulier, gagner en précision sur la préparation des pièces ainsi que sur la mise en position (outil-lage) conduit à un surcoût important. La précisiondu positionnement doit faire l’objet d’un compromis technico-économique ;• il s’agit du premier facteur de non-conformité, cer-tains fabricants estiment qu’il représente à lui seul 80 % des risques de non-conformité.Afin d’assurer la « robustesse » du procédé, des éprou-vettes représentatives de l’assemblage doivent être soudées aux limites des déviations possibles. Par exemple, sur la figure 4 qui représente une soudure d’angle, le mode opératoire sera validé pour tenir compte des erreurs possibles de positionnement de la pièce (tolérance dimensionnelle des différents élé-ments ou sous-ensembles, manque de rigidité du gaba-rit conduisant à des déformations au cours du soudage) par rapport au point d’impact du fil. Pour l’application de ce principe, des essais seront réalisés en position 2 (décalage de la torche dans le plan horizontal) et en position 3 (décalage de la torche dans le plan vertical). Ultérieurement en production, on visera le centre de cette plage (position 1) et au besoin cet intervalle sera resserré pour gagner en sécurité (voir figure 4).Ces exigences servent de points de départ pour l’in-dustrialisation, en particulier vis-à-vis de la concep-

Etape 1 :

Etablir la qualité

Etape 2 :

La maintenir dans le temps

Figure 1 : Exemples de fissurations par fatigue dues à des défauts de soudage automatisé/robotisé liés à un mauvais positionnement de la tête de soudage.

Etape 1 :

Etablir la qualité

Etape 2 :

La maintenir dans le temps

Figure 2 : Les deux étapes conduisant à la qualité en soudage robotisé/automatisé.

2. Étape 1 : ÉtablIr la QualItÉ

2.1 vALIDATION DU MODE OPérATOIrEDE SOUDAgE

Le terme « validation » est utilisé ici plutôt que celui de « qualification ». En effet, la « qualification » fait souvent penser à une épreuve standard comme celle décrite dans la NF EN ISO 15614-1 et réalisée devant un organisme tiers avec un programme d’es-sais bien défini. Or si cette « qualification » avec le procès-verbal qui l’accompagne est souvent prisée dans le cadre d’une démarche qualité, elle n’offre aucune garantie sur le résultat final. Cette qualifi-

Etape 1 :

Etablir la qualité

Etape 2 :

La maintenir dans le temps

Figure 3 : Le décalage entre la pièce et le robot est l’addition de nombreux facteurs symbolisés ci-contre.

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tion des outillages, de la mise en position et prépa-ration des pièces. En effet, les outillages doivent permettre un positionnement précis de la zone à souder même s’il ne s’agit pas d’une cote fonction-nelle. La recherche de cet objectif implique aussi que la préparation des pièces soit suffisamment précise pour être compatible avec les exigences du procédé (voir figure 5).D’autres stratégies sont possibles pour que les pièces soient compatibles avec les exigences du procédé. L’amélioration de la précision de position-nement en est une voie. L’échange entre le bureau d’études et le bureau des méthodes est aussi très important et peut permettre de faire évoluer une conception afin d’obtenir une soudure fiable. Cette

démarche ne doit jamais être faite unilatéralement par le bureau des méthodes. Elle doit être le résultat d’un dialogue avec le bureau d’études pour recher-cher un dessin de pièce qui satisfasse à la fois les exigences de conception et d’industrialisation afin d’atteindre les objectifs de qualité finaux. L’établis-sement de la « fenêtre procédé » est un bon outil pour communiquer sur les contraintes dimension-nelles qu’il faut respecter pour réussir les soudures (voir figure 6).Tous ces « outils » de dialogue (établissement de la fenêtre procédé, amélioration de l’outillage, reconception de certains détails constructifs) doivent être utilisés afin d’obtenir un joint soudé fiable au moindre coût.

3. Étape 2 :MaIntenIrla QualItÉ

Après cette phase de recherche d’une « fenêtre procédé » en vue d’obtenir la qualité requise par le bureau d’études, il faut maîtriser les variables influentes tout au long de la vie du produit en fabri-cation. Cette maîtrise passe bien évidemment par une réduction des variations autour du mode opératoire :• sur les pièces : maîtrise du produit et des prépa-rations ;• sur les consommables ;• sur le matériel ;• sur les méthodes de travail.

3.1 PréPArATION DES PIèCES

La maîtrise des préparations est un point crucial dans l’obtention de la qualité en soudage robo-tisé : une variation de hauteur de talon ou d’angle de chanfrein peut conduire à des manques de fusion ou de pénétration. La maîtrise des prépara-tions est fondamentale, beaucoup plus que pour du soudage manuel. La préparation des bords ne peut être le résultat d’une opération manuelle par meu-lage. Les préparations doivent être réalisées avec une machine et dans certains cas, faire l’objet d’un contrôle dimensionnel. A noter que certains types de chanfrein (comme la préparation en U ou en tulipe) sont plus robustes que d’autres.Il conviendra donc de se donner les moyens de surveiller la forme du chanfrein (par exemple avec des calibres) pour éviter les problèmes de manque de fusion latérale comme illustré sur la figure 7. Ce point sera d’autant plus crucial pour les soudures multipasses où un changement de pente et/ou de jeu d’accostage se traduit très rapidement par une

Vers la maîtrise de la qualité en soudage robotisé

J = 2

J = 1

J = 0

Y= 3,6mm 2,4 1,2 0 1,2 2,4 X = 3,6mm

Figure 4 : Exemplesur une soudureen angle, de la validation d’un mode opératoire de soudage en tenant compte des erreurs de positionnement.

J = 2

J = 1

J = 0

Y= 3,6mm 2,4 1,2 0 1,2 2,4 X = 3,6mm

Figure 5 : Effet du positionnement du point d’impact de l’arc sur la géométrie du cordon – Soudure en angle épaisseur 2 mm sur 2 mm, Position PB, Gorge à 3,5, Fil G3Si1 de diamètre 1,2 mm, I : 105 A, U : 18,5 V, Vs : 21 cm/min, Gaz : M21 [Classine, 2015].

Trajectoire idéale Décalage de trajectoire de 1,2 mm

J = 2

J = 1

J = 0

Y= 3,6mm 2,4 1,2 0 1,2 2,4 X = 3,6mm

Figure 6 : Influence de la position du point d’impact du fil (X décalage sur la semelle et Y décalage sur l’âme) et du jeu d’accostage en soudage MAG sur la qualité du joint – Soudure en angle épaisseur 6 mm sur 6 mm, Position PB, Fil G3Si1 de diamètre 1,2 mm, I : 280A, U : 28V, Vs : 28 cm/min, Gaz : M21. Contour vert : acceptable suivant la classe B de l’ISO 5817, contour orange : acceptable suivant classe D, contour rouge : inacceptable [Classine 2015].

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études et recherche

incidence sur la stratégie de remplissage, en modi-fiant le nombre de passes.

3.2 APPrOvISIONNEMENTDU PrODUIT D’APPOrT

Les fils pleins dits de qualité « spéciale robotique » ne se distinguent en rien des autres fils du point de vue de la composition chimique et des propriétés méca-niques [Laugier, 2003]. Même si le diamètre rémanent du fil peut varier dans de larges proportions sans gêner la régularité du dévidage, l’utilisateur privilégiera des fils ayant un rayon de courbure rémanent le plus grand possible (ISO 544). De tels produits permettent d’ob-tenir un meilleur positionnement du fil au niveau du plan de joint ainsi qu’une moindre usure de tous les organes intervenant dans la chaîne de dévidage.Avec les fils de qualité « standard », lors d’un chan-gement de lot de fil, il est n'est pas anormal de devoir procéder à un ajustement des paramètres de soudage pour obtenir un comportement identique à celui du lot précédent. En fabrication robotisée, idéalement, un changement de bobine ou de fût ne devrait entraî-ner aucune perturbation dans la fabrication et ne pas nécessiter de phase de mise au point et réglage des paramètres. Avec les fils dits « spécial robotique », la différence essentielle se situe le plus souvent aux tolérances d’approvisionnement de la matière première utilisée pour leur fabrication, en amont du processus de tréfilage. Ces tolérances de composition chimique, plus faibles que celles autorisées par la norme, garantiraient une meilleure stabilité des condi-tions de fusion du fil [Laugier, 2003].Le choix du diamètre du produit d’apport peut être différent en soudage manuel et robotisé. Le fil de diamètre 1,0 mm est plutôt réservé pour la réalisa-tion d'assemblages de pièces de plus faibles épais-seurs. Pour les pièces d’épaisseur comprise entre 5 et 20 mm, un fil de diamètre 1,2 mm est souvent un choix plus judicieux. L’utilisation d’un fil de diamètre 1,0 mm conduit à augmenter les vitesses de dévi-dage de fil pour obtenir un même résultat et de ce

fait, accentue la pénétration en doigt de gant, ce qui diminue la fenêtre de soudage. De ce fait, le procédé devient moins tolérant : un très léger décalage entre la torche et les pièces augmente alors les risques de manque de fusion latéraux [Laugier et al., 2005].

3.3 MAINTENANCE ET ENTrETIENDU SySTèME DE DévIDAgE

La meilleure façon de se prémunir des problèmes de dévidage et d’éviter notamment l’apparition du phénomène de pompage est de porter une atten-tion particulière à toute la chaîne dès l’installation [Laugier, 2003] :• employer une gaine guide-fil de faible longueur(inférieure à 2 m et idéalement encore plus courte) ;• bien choisir la position du ou des points d’attachede la gaine de manière à augmenter son rayon de courbure minimal et vérifier, pour les différentes pos-tures du robot, que la gaine n’est pas trop contrainte ;• utiliser un système tiré-poussé améliore la régula-rité du dévidage ;• serrer les galets de façon juste suffisant pourassurer un entraînement régulier du fil :- un serrage excessif des galets peut conduire à un encrassement plus rapide de la gaine ainsi qu’à des bourrages de fil à l’entrée de la gaine,- en cas de problème de dévidage, il faut absolument éviter de serrer excessivement les galets, la cause est souvent ailleurs et on risque plutôt d’aggraver les problèmes à moyen terme ;• avoir un matériel adapté à l’utilisation qu’on sou-haite en faire : tube-contact, gaine guide-fil et galets doivent être adaptés au diamètre et au type de fil fusible employé ;• entretenir et remplacer régulièrement les piècesd’usure : galets, gaine, tube contact.

3.4 CHOIx DES TUBES-CONTACT

Une large proportion des problèmes menant à un changement de tube contact n’est en fait pas liée

directement à la performance intrinsèque du tube-contact [Villafuerte, 1999]. Il est important de noter que de mauvais réglages de l'équipement de sou-dage, ou l'utilisation d'un fil de mauvaise qualité peuvent conduire à une consommation excessive de tubes-contact (voir tableau 1, page suivante).Les essais d'échauffement ont permis d'établir l'importance de l'intensité de soudage, à énergie de soudage égale, sur l’échauffement du tube et son endommagement. Mais le paramètre « serrage du tube contact » est encore plus important que le cou-rant qui le traverse. Celui-ci doit être fait conscien-cieusement, avec l’outil adapté.L'ovalisation du canal, souvent crainte vis-à-vis du positionnement du fil au point d’impact, est un pro-cessus relativement lent qui ne peut être observé qu'après un temps d'arc allumé cumulé très long.Dans le cas particulier de l'exécution en série d’un grand nombre de cordons très courts, les paramètres liés au tube contact (géométrie, serrage du tube dans la torche) perdent de l’importance qu’ils ont pour les temps de soudage long, la durée de vie du tube étant alors directement liée aux performances du géné-rateur quant à la gestion des phases d'amorçage et d'extinction de l'arc. Pour ce type d'opération de sou-dage, l'utilisation d'un onduleur, combinée avec la mise en œuvre de procédures évitant l'encrassage de la buse (dispositifs de nettoyage mécaniques, sprays, etc.) doit permettre d'obtenir des durées de vie éle-vées du tube contact [Scandella, 2003], voir figure 8.

Figure 7 : Influence de l’angle d’ouverture d’un chanfrein sur le respect de la pénétration en racine (MAG fil plein de diamètre 1,2 mm, I = 310 A, U = 34 V, Vs = 5 mm/s, Gaz : M21) [Laugier, 2005].

Angle du chanfrein : 40°. Angle du chanfrein : 35°.

Serrage optimal

Serrage insuffisant

Figure 8 : Détérioration du pas de vis et mise en évidence de l’échauffement dans le cas d’un pas de vis insuffisamment serré [Scandella, 2003].

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La distribution du gaz de protection jusqu’à la torche pourra être garantie par un système avec orifice calibré et un pressostat. L’absence totale de réglage permet aussi de supprimer une variabilité impor-tante : la variation du débit de gaz.

3.5.3 Contrôle du centre-outilDans le jargon des programmeurs, cette opération s’appelle le TCP pour Tool Centre Point. En fran-çais, contrôler le centre-outil. Ce contrôle revient à s’assurer que la position de l’extrémité du fil de soudage a une position répétable par rapport à un point fixe de l’installation. Il existe de nombreuses manières de la contrôler : avec un laser, par contact électrique, visuellement avec une pointe de contrôle, ou encore un cylindre entrant dans un alésage calibré. Certaines installations sont capables de le vérifier de manière automatique. Mais la question la plus importante n’est pas – comment fait-on le contrôle ? – mais quand le fait-on ?Il est indispensable de vérifier le centre-outil :• avant chaque phase de programmation, voiremême avant chaque modification de trajectoire, même mineure ; • après chaque collision, ou simple décrochage dela torche ;• cette procédure sera complétée par des contrôlessystématiques faits à intervalle régulier : prise de poste, début de série, etc.

3.5.4 Programmation rigoureuseLa mission du programmeur est de répercuter les paramètres influents du mode opératoire avec une grande rigueur. Les paramètres qui sont direc-tement sous sa responsabilité sont les suivants : stick-out (longueur de fil sorti) ou la distance du tube-contact à la pièce, inclinaisons de torche… Ces grandeurs doivent se régler avec des instru-ments de mesure possédant une précision infé-rieure au millimètre. Il est courant de constater pour un réglage d’angle de torche, réglé « à l’œil », une différence qui peut aller jusqu’à 10°. Cette imprécision a une grande importance sur la qualité obtenue (voir figure 9) [Laugier et al., 2005] [Clas-sine, 2015].L’utilisation d’instruments pour retranscrire plus précisément et avec une meilleure répétabilité les paramètres influents du mode opératoires permet de standardiser les pratiques de programmation. Cette standardisation est d’autant plus importante que l’entreprise possède plusieurs robots et plusieurs programmeurs.

3.6 EST-IL POSSIBLE DE DéTECTEr DES DéFAUTS DE SOUDAgE PAr LA SUrvEILLANCE DES PArAMèTrES ?

Un robot reproduit les mêmes trajectoires et des réglages fixes, il est donc tentant de rechercher des

Vers la maîtrise de la qualité en soudage robotisé

Symptôme Cause

Positionnement imprécis du point d'arc Déplacement continu à hautes températures du fil dans le canal du tube contact, causant l'abrasion du canal.

Remontée d'arc dans le tube contactlors du démarrage

Paramètres de soudage inadéquats durant le démarrage (par exemple pic de tension combiné à une vitesse de dévidage trop faible) ou court-circuit.

Pas de dévidage de fil: fil coincé dans le tube contact

Dû à la contraction naturelle du canal lors du refroidissement du tube contact.

Dû à la présence de corps étrangers dans le canal du tube contact (salissures sur le fil ou petits copeaux)

Dû à un jeu trop faible entre le canal du tube contact et le fil (diamètre de fil trop important ou diamètre du canal trop faible)

Dû à l'accumulation de projections à l'extrémité du tube contact, qui empêche le dévidage du fil

Dû à des problèmes de transport du fil dans la gaine (une gaine non adaptée au fil ou une gaine fortement courbée peuvent augmenter la friction)

Dû à des variations dimensionnelles du fil (surface du fil rugueuse dû à la fabrication ou à un serrage excessif du fil entre les galets du dévidoir)

Remontée d'arc dans le tube contact durant l'opération de soudage

Surface du fil présentant des salissures (provoquant le blocage du fil dans le canal)

Dû à un mauvais dévidage du fil (le fil peut glisser entre les galets d'entraînement si ceux-ci ne sont pas suffisamment serrés)

Dû à un serrage excessif des galets d'entraînement, ce qui déforme ou altère l'état de surface du fil (conduisant à un blocage du fil dans le canal)

Tableau 1 : Identification des symptômes et des causes liés au changement du tube contact[Villafuerte, 1999] [Scandella, 2003]

L’observation des tubes-contact défaillants est un bon indicateur de l’état de santé et de la perfor-mance d’une installation. Ainsi, le nombre de chan-gements de tubes-contact sera répertorié afin de noter une éventuelle dérive. Ce suivi peut se faire tout simplement par une collecte des tubes-contact remplacés.

3.5 LA SOUrCE DE COUrANT

3.5.1 étalonnage du matérielL’étalonnage (même si le terme de vérification paraît plus adapté) du matériel de soudage permet de garantir la capacité de l’installation à retranscrire fidèlement les variables du mode opératoire de sou-dage : tension, intensité, vitesse de fil, etc. Cette vérification se fait sur l’installation elle-même : elle permet de prendre en considération tous les aspects de la boucle de courant (masse tournante, contacts multiples, longueur des câbles…).Dans le cas d’un changement de générateur, en cas de panne, il faudra s’assurer de la capacité du géné-rateur à transformer les consignes. Avec un géné-rateur et une loi de synergie à onde contrôlée, la transposition directe et sans ajustement d’un mode opératoire établi ne peut être réalisée sur une autre loi de synergie. Une telle transposition conduit à altérer la santé interne de la soudure, la profondeur

de pénétration, voire même être dans l’incapacité de réaliser une soudure correcte (pas de bain de fusion, projections abondantes, mouillage altéré et bombé excessif, percement, …) [Haouas, 2015].Pour pouvoir réaliser une soudure conforme à la spécification initiale, un ajustement des paramètres électriques et notamment de la tension, voire même de la préparation de joint, est alors impératif. Le nou-veau DMOS ainsi établi doit alors être validé par des contrôles non destructifs et des examens métallo-graphiques.

3.5.2 gaz de protectionLe mélange gazeux a une influence importante sur la forme du bain de soudage. En particulier, en soudage MAG, la variation de la teneur en CO2 se traduit par une modification de la forme. Si le choix d’un gaz à faible teneur en CO2 (M20 suivant la NF EN ISO 14175) permet d’obtenir des soudures de bel aspect, la forme de la pénétration moins large qu’avec un mélange à plus forte teneur en CO2

(M21) conduit à augmenter les risques de manque de fusion latéral. Un changement de mélange gazeux doit être considéré comme une variable essentielle dans le cas d’une diminution de la teneur en CO2 : la robustesse du procédé MAG diminue avec le taux de CO2 comme le montre la figure 9 [Classine, 2015].

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